材料成形装备及自动化

精品课程,材料成形装备及自动化第四章 （4.3）华中科技大学材料科学与工程学院School of Material Science and Technology ， HUST,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,4.3,电阻焊装备及自动化,4.3.1 电阻焊原理及分类电阻焊原理：利用焊接区金属本身的电阻热和大量塑性变形能量，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到焊点，焊缝或对接接头。因此，适当的热和机械力作用是获得电阻焊优质接头的基本条件。电阻焊机：向焊接区提供热和机械力，即电流和压力而实现电阻焊的装置 特点：机械化和自动化高度程度高分类：如图4-45所示。电阻焊机应用最多的是点焊机、凸焊机、缝焊机和对焊机4种，其中点焊机又是它们中最多的。,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-45,电 阻 焊 分 类,电 阻 焊,交 流 焊,直 流 焊,脉 冲 焊,低频焊,工频焊,高频焊,点焊,缝焊,对焊,点焊,缝焊,对焊,对,接逢,焊,点焊,缝焊,对焊,电容贮能焊,直流冲击波焊,点焊,缝焊,对焊,点焊,缝焊,4.3.1 电阻焊原理及分类,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,4.3.2 电阻焊机的基本结构,电阻焊机的基本结构包含三个部分：主电力电路、机械结构、控制装置。（1）主电力电路电阻焊机的主电力电路或称功率电路，包括从电网开始的所有初、次级主电流所流经的路程组件，如图4-46所示。,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,a) 交流单相电阻焊机c) 低频电阻焊机,b) 电容储能电阻焊机d) 次级整流电阻焊机,SCR晶闸管,T焊接变压器R整流装置,S极性转换开关C充放电电容器组,D次级整流元件Dr分流二极管,4.3.2 电阻焊机的基本结构图4-46,第四章,金属连接成形设备及自动化各种电阻焊机的主电力电路,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,（2）机械结构电阻焊机的机械结构是实施电阻焊时给焊接区加压的重要部件。它包括机架、电极加压机构和传动机构。电极加压机构和传动机构在点、缝、对焊机中各有不同；点焊机中主要有电极臂、电极握杆及杠杆或气液压加压传动机构；缝焊机中主要有电极臂、滑动轴承、气液压加压系统、滚轮电极转动传动系统；对焊机中主要有动、静夹的夹紧机构和顶锻机构。,4.3.2 电阻焊机的基本结构,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,（3）控制装置电阻焊机控制装置的任务是实现焊接电流、电极压力、夹紧力、顶锻力等工艺参数的调节与控制，保证焊接循环中各阶段工艺参数的动态波形相互匹配及时间控制。对要求严格控制焊接质量的焊机还可实现工艺参数的自动调整和焊接质量的监控。控制装置主要由焊接电流控制器、焊接程序控制器和电网同步装置等组成，其中电流控制器和程序控制器是两大核心部分。,4.3.2 电阻焊机的基本结构,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,4.3.2 电阻焊机的基本结构,焊接电流的控制有简单的电磁接触器式和精确的电子开关式。由于采用电子开关，可以实现与电网同步控制。它不但能使焊接电流在电网电压的固定相位接通和断开，同时用移动相位角可实现热量控制。焊接程序的控制通常由程序转换电路和定时电路组合的控制单元实现。焊接程序实质上是一个电阻焊的循环程序。简单的循环程序为预压、加热焊接、冷却结晶（维持加压），休止四个程序段。当电极压力使用梯形、马鞍形或任意可调的压力循环，电流使用预热、焊接、回火等阶段值时，焊接程序就会变成复杂的循环程序。复杂的循环程序焊接可以适应于特殊的工艺要求。为此，电阻焊机的控制器采用微机控制已越来越广泛，除了可方便设置复杂的程序控制外，还设置了电网电压补偿、电流斜率控制、恒流控制、功率因数自适应控制、自动补偿电极端面增大的电流调节，且还可方便设定数组焊接工艺参数、监控以及实现多台焊机的群控。,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,统,8.机身,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备点焊机是在电极间的工件上产生点状焊接区的电阻焊设备。通用点焊机组成如图4-47所示。图447 点焊机组成示意图1.加压机构 2.焊接回路3.阻焊变压器 4.电力开关 5.控制器 6.功率调节机构 7.冷却系,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备 按用途分为：通用型、专用型、特殊型 按安装方式分为：固定式、移动式或轻便式 按加压机构传动方式分为：脚踏式、电动凸轮式、电磁式、气压式、液压式、复合式 按活动电极移动方式为：垂直行程式、圆孤行程式 按焊接电流波形分为：交流型、低频型、电容贮能型、直流型（包括二次整流式和逆变式） 按电极类型可分为：单点、双点、多点,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备（1）加压机构点焊机加压机构应具有刚性好、动作灵活、随动性好，以及具有适应焊接工艺要求的压力变化曲线（恒定压力、阶梯形压力及马鞍形压力等）。其常用加压机构类型及应用范围见表4-4。,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,表44,常用加压机构类型,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图448,气路原理图,1气缸,2节流阀（带消声器）,3二位四通电磁阀,4储气筒（带排水阀）,5气源,6截止阀,7滤清器,8减压阀,9油雾器,1 0二位四通电磁阀,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备目前，广泛应用的双行程快速点焊气压传动加压机构，其中气路系统的典型组成如图4-48所示。,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备（2）焊接电流波形1）工频焊接电流波形由工频交流点焊机提供，这种焊机的主要电气框图及焊接电流波形如图4-49。阻焊变压器经级数换接器（即功率调节机构）和开关（晶闸管电力开关）接于工频交流电网，由控制装置决定了开关导通时刻的不同，二次回路中可获得不同波形。2）次级整流焊接电流波形 由次级整流点焊机提供，电流波形属直流型。这种焊机主要电气框图及焊接电流波形如图4-50，即在阻焊变压器的二次输出端接入大功率硅整流器，使得二次回路中流过的是整流后的直流电流。一般次级整流点焊机有单相全波整流、三相半波整流和三相全波整流三种类型，其电气原理如图4-51所示。,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备图4-49 工频交流点焊机电气框图及焊接电流波形a）连续波形 b）断续波形c）调幅波形 d）半波波形,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备图4-50 二次整流电阻焊机电气框图及焊接电流波形a）电气框图 b）焊接电流波形（感性负载）,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,一般次级整流点焊机有单相全波整流、三相半波整流和三相全波整流三种类型，其电气原理如图4-51所示。图4-51 二次整流电阻焊机主电路的三种基本形式a）单相全波整流 b）三相半波整流 c）三相全波整流,4.3.3 点焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备次级整流点焊机具有以下特点：.由于二次输出为直流，回路感抗几乎为零，且电流不过零，热效率高，因此获得同样大小的焊接电流所需的二次空载电压和功率比交流焊机低得多，其视在功率只有交流焊机的1/31/5；.由于次级整流点焊机通常采用三相供电，因此负载均衡，线电流小，对供电电网冲击小，利用率高；.由于二次输出为直流，回路感抗几乎为零，焊机臂伸长、大开度以及回路内伸入磁性物质均不影响焊接电流输出大小，因此特别适用于大面积钢板件的点焊和长臂悬挂式点焊机的应用；,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备.由于直流电的集束效应，电流更集中地流过焊接的中心部，使焊点在电极对轴向上尺寸长，穿透力强，可达到多层钢板一次焊成的效果；.由于直流电主要受回路电阻影响，因此焊接回路电流可随焊接区电阻的变化作自动补偿，从而可减小电极与焊件的粘损和喷溅、分流的影响等。二次整流点焊机的独特优点，使它的通用性很强，不仅能焊碳钢，还能焊接导热性好的轻合金、铜合金，还适合于大型构件的焊接。,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备（3）点焊电极正确选用电极是获得点焊优质接头的重要手段。1）电极的功用.向焊接区传输电流；.向焊接区传递压力；.导散焊件表面及焊接区的部分热量；.调节和控制点焊加热过程中的热平衡；.将工件定位、夹持于适当的位置等。2）对电极材料的要求.有足够的高温硬度与强度，再结晶温度高；.有高的抗氧化能力并与焊件材料形成合金的倾向小；.在常温和高温下都有合适的导电、导热性；.具有良好的加工性能等。,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备图4-52 点焊电极的典型形式a）标准直电极 b）弯电极 c）帽式电极 d）旋转头电极e）插头电极 f）螺纹电极 g）盖式电极,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备（4）控制系统通用点焊机目前都采用集成电路组成的同步控制系统，这时主电力开关可以控制在电网电压每半周固定相位下接通，而在电流过零时断开，其开关元件通常为晶闸管，属于无触点开关，如图4-53所示。控制系统的通用控制原理框图如图4-54所示。此类控制器的同步控制系统主要由同步脉冲发生电路、定时和程序转换电路、热量调节和触发电路，功率因素自适应与单管导通保护电路等几部分电路组成：1）同步脉冲发生电路 该电流主要用于产生与网压同步的50Hz和100Hz脉冲信号，分别用于控制定时和程序转换电路及移相电路；2）定时和程序转换电路 包括同步定时控制电路和程序转换电路两部分。,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-53,典型主电力电路原理图,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-54,集成电路组成的控制器的通用控制原理框图华中科技大学材料科学与工程学院,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化4.3.3 点焊装备同步定时控制电路由用于设定时间的8421数字拔码盘和用于时间计数的“二-十进制”加法计数器等组成，此电路用于设定和计时加压、焊接、维持、休止几个程序的延时时间，计时范围一般为099周的整周数；程序转换电路由程序选通门、延时电路、程序转换门等组成，由两组J-K触发器组成的二位二进制计数器可以输出四种不同状态的程序循环，程序信号再经译码器输出，分别轮流控制加压、焊接、维持、休止四个程序。3）热量调节和触发电路 包括移相器、脉冲列发生器、功放电路、触发电路等。移相器电路用于调节晶闸管触发脉冲的相位角，即调节每半波晶闸管的导通角，从而实现连续的焊接电流调节，它主要由调节移相脉冲相位角限制最小移相角及由与非门与晶体三极管构成的单稳态电路等组成；脉冲列发生器是由非门、电阻和电容等构成的多谐振荡器，其主要作用是将输入的100Hz移相脉冲调制为34KHz的高频脉冲列，然后触发晶闸管，它既能保证触发的可靠性及焊接电流波形正负对称，又能减小脉冲变压器的尺寸。,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,4.3.4 缝焊装备,缝焊是点焊的一种演变，它用滚轮电极取代点焊电极，焊件装配成搭接或对接接头形式并置于两滚轮电极之间，在滚轮连续或断续滚动并通已连续或断续电流脉冲时，形成一系列焊点组成的缝焊焊缝。能进行这种电阻焊方法的电阻焊机就称为缝焊机。缝焊机除了必须具有与点焊机相同的加压和馈电功能外，还需带动焊件移动，即须有使滚轮电极转动的传动机构。通用缝焊机的组成如图4-55所示。,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-55,缝焊机组成示意图,1-加压机构,2-二次回路,3-阻焊变压器,4-机身,5-功率调节机构,6-主电力开关,7-控制设备,8-传动机构,9-冷却系统,10-机头,11-焊轮,4.3.4 缝焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,4.3.4 缝焊装备,缝焊机的机械装量主要是加压机构和传动机构，由于前者和点焊机基本相似和更为简单，所以这里只介绍传动机构和电极。（1）传动机构缝焊机传动机构的主要功能是获得需要的焊接速度，其中缝焊机机头还承担传递焊接压力和电流的作用，缝焊机的传动机构一般由电动机通过减速变速器和方向轴等带动滚轮（焊轮）转动。（2）步进传动机构步进传动机构通常用于步进式缝焊机上。常用的步进传动机构有；马氏轮传动、棘轮传动等，其动力来源可以是电动机或气动，电动机输出扭矩较小，气动传动虽可获得较大的扭矩，但由于经常放气噪声严重，马氏轮传动和棘轮传动都不太平稳（活塞的直线运动会造成焊机机头的振动）。因此，步进式缝焊机上也采用磁力离合器式步进传动机构，如图4-57所示。,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-56,连续转动的传动机构,a) 带轮调速、减速传动机构b）双轮传动机构,4.3.4 缝焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,1-直流电动机,2-磁力离合器,3-锥齿轮对 4-蜗轮蜗杆减速器,5-可变换齿轮组,6-万向轴,7-下焊轮,4.3.4 缝焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化（图4-57 具有磁力离合器的步进式传动机,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,4.3.4 缝焊装备,3）机头缝焊机机头是缝焊机中的一个关键部分，它集传动、加压和导电三项功能的一体，它的性能不仅影响到焊接速度、电极压力的稳定性，还直接决定了焊接电流的大小及稳定性。缝焊机机头可以采用的导电方式有滚动接触导电、滑动接触导电及耦合导电三种。从机头性能及焊机的整体使用性考虑，较好及最常用的还是滑动接触导电方式。缝焊电极缝焊电极通常采用圆形滚盘式，故也被称作滚轮或焊轮，其基本结构如图4-59所示。缝焊电极结构一般由轮缘端面外形、焊轮直径、焊轮宽度、冷却方式和安装形式等因素决定根据被焊工件的材料及工艺要求不同，焊轮轮缘端面可以分别选用图4-59中所示的几种形式。,第四章,金属连接成形设备及自动化,EAMP,材料成形装备及自动化,4.3.4 缝焊装备精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化华中科技大学材料科学与工程学院,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,a）承受压力的滑动触点构造,b）、c）、d）不承受压力的滑动触点构造,1-焊轮 2-导电轴 3-衬套 4-导电板 5-导电轴承 6-导电的银轴瓦,7-弹簧,8-导向螺栓,9-盖板,10-支承轴承,4.3.4 缝焊装备图4-58,第四章,金属连接成形设备及自动化常用缝焊机机头滑动触点构造,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-59,缝焊焊轮形状,a）平面形 b）单边倒角形 c）双边倒角形 d）球面形,4.3.4 缝焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,4.3.5 对焊装备,将焊件端面相对放置，利用焊接电流通过焊件的电阻热加热，并施加压力完成焊接的电阻焊方法称为对焊。能完成这种焊接方法的电阻焊机称为对焊机。对焊的分类对焊可分为电阻对焊与闪光对焊两大类，如图4-61所示。图4-61 对焊原理图a）电阻对焊 b）闪光对焊,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-62,对焊机组成示意图,1-控制设备2-机身 3-二次回路 4-固定台板 5-钳口（电极）6-夹紧机构 7-可动台板 8-送进机构 9-导轨 10-冷却系统11-阻焊变压器 12-功率调节装置 13-主电力开关,4.3.5 对焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,主要包括机身、夹紧机构、送进机构等,1）对焊机的机械装置关键部分。,.夹紧机构,包括静夹具和动夹具两部分，前者是固定的，直接,安装在固定台板上，与焊接变压器二次绕组的一端相连，并与机身在电气上绝缘；后者是可移动的，安装在活动台板上，与焊接变压器的另一端相连。夹紧机构的主要功能就是夹紧焊件并从电源向焊件馈送焊接电流。,4.3.5 对焊装备（2）对焊机的机械装置和电极部分,第四章,金属连接成形设备及自动化,EAMP,材料成形装备及自动化,4.3.5 对焊装备精 品 课 程,第四章,金属连接成形设备及自动化图4-63 两种夹紧机构a）有顶座形式 b）无顶座形式华中科技大学材料科学与工程学院,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,1-焊件4-杠杆,2-下电极5-活塞杆,3-上电极6-气缸,4.3.5 对焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化图4-64 对焊机的气压夹紧机构,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,图4-65 对焊机的气-液压夹紧机构1-焊件 2-下电极 3-上电极 4-气缸下气室 5-油室6、10-气缸活塞 7、11-气缸上气室 8-储油箱 9-活塞杆(油缸活塞),4.3.5 对焊装备,第四章,金属连接成形设备及自动化,华中科技大学材料科学与工程学院,EAMP,材料成形装备及自动化,精 品 课 程,能直接影响到焊件的焊接质量。送进机构主要完成以下功能：a).在电阻对焊时，使焊件端面压紧，并在通电加热和顶锻时使焊件产生一定的变形；b).在闪光对焊时，先使焊